基于薄板V型刨槽機(jī)上的OMRON PLC伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

在不銹鋼薄板加工成型的生產(chǎn)中，不銹鋼板材直接折邊成型會(huì)在拐角形成弧角的效果，在某些情況下，人們不需要這種效果。如果在進(jìn)行薄板的折彎加工之前，首先在薄板上折彎處先開(kāi)出一道v型溝槽，然后再進(jìn)行折彎，這樣就可以加工出來(lái)沒(méi)有弧邊的棱角效果，如圖1所示。

針對(duì)這種應(yīng)用，人們研制出了“v型刨槽機(jī)”，為了提高這種機(jī)器的生產(chǎn)效率和加工精度，必須在機(jī)器上安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文介紹的是筆者用plc+hmi+交流伺服電機(jī)開(kāi)發(fā)的針對(duì)這種“v型刨槽機(jī)”的一種控制系統(tǒng)。

工藝要求

由于在這種刨槽機(jī)上加工的板材一般都比較薄，為了保證折邊處有足夠的強(qiáng)度，刨槽的深度不能夠很深，所以控制精度要求很精確；同時(shí)，為了提高工件的折彎尺寸精度，對(duì)溝槽的長(zhǎng)度和位置控制也要精確。綜合以上因素考慮：整機(jī)的設(shè)計(jì)精度要達(dá)到0.01mm。根據(jù)工藝技術(shù)特點(diǎn)，工件的加工需要在x，y， z三個(gè)方向上分別進(jìn)行控制。其中x軸：溝槽的長(zhǎng)度；y軸：溝槽在板材上的位置；z軸：溝槽的深度。具體要求如圖2所示。

控制要求

為了降低對(duì)操作人員的文化水平的要求，必須簡(jiǎn)化參數(shù)設(shè)定，采用友好的人機(jī)對(duì)話界面，能夠方便的控制機(jī)器的運(yùn)行，能夠監(jiān)視機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)；

另外為了提高機(jī)器的智能化水平，在本機(jī)器上開(kāi)發(fā)了具有文件存儲(chǔ)和管理的功能。這樣就可以方便的以配方的形式進(jìn)行不同工件加工參數(shù)的管理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求以工件的編號(hào)作為數(shù)據(jù)組（可多達(dá)50組），每一個(gè)工件編號(hào)對(duì)應(yīng)一組工件的參數(shù)：長(zhǎng)度，厚度，刨削起點(diǎn)，開(kāi)槽位置，溝槽深度（一條溝槽最多可以分10刀進(jìn)行刨削，每一次進(jìn)刀深度設(shè)定范圍在0～0.99mm）等等。所有的參數(shù)可以隨時(shí)修改，隨時(shí)存儲(chǔ)。加工時(shí)，通過(guò)設(shè)定工件的編號(hào)來(lái)調(diào)用參數(shù)，如圖3，也可以按照重新設(shè)定的新參數(shù)來(lái)加工工件。

機(jī)器的工藝控制上要求機(jī)床有手動(dòng)和自動(dòng)功能。手動(dòng)時(shí)，機(jī)床每次只在一個(gè)固定的位置（可以任意設(shè)定）上刨一道槽。自動(dòng)時(shí)，機(jī)床可以根據(jù)設(shè)定的工件號(hào)調(diào)用長(zhǎng)度，厚度，刨削起點(diǎn)，開(kāi)槽位置，溝槽深度等參數(shù)，在板材上自動(dòng)刨出合乎要求的溝槽。圖4示出操作界面。

方案確定

綜合以上的要求，由于是位置控制，而且控制精度要求較高（0.01mm），所以應(yīng)當(dāng)采用步進(jìn)電機(jī)或者是交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)可以有多種選擇：數(shù)控系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡；hmi+plc等。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格要比交流伺服電機(jī)便宜，缺點(diǎn)是它高速力矩特性較軟，會(huì)限制運(yùn)行速度的提高，從而影響機(jī)器的工作效率的提高。而交流伺服電機(jī)則能夠勝任高速運(yùn)行，所以從提高工作效率的角度來(lái)說(shuō)選擇交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠提高設(shè)備的適用范圍，從而提高設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

控制系統(tǒng)的選型

專門(mén)的數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是功能很全面，適用于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，價(jià)格比較高，最重要的是它對(duì)操作人員的要求比較高，而在這里的控制程序單一，不需要操作人員經(jīng)常的改變控制程序，所以不適合用在小型機(jī)床。

微型計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡這種方案

硬件成本比前者要低一些，但是控制軟件的穩(wěn)定性對(duì)操作系統(tǒng)依賴性很強(qiáng)，操作系統(tǒng)一旦癱瘓，將直接影響生產(chǎn)的進(jìn)行。另外計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境要求高，體積大，可移動(dòng)性差，不適合安裝在小型機(jī)床上。

hmi和plc本來(lái)就是面向工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定性產(chǎn)品，物理尺寸非常適合安裝在小型機(jī)床上，價(jià)格上也比較便宜。控制軟件開(kāi)發(fā)采用簡(jiǎn)單易學(xué)的ld梯形圖語(yǔ)言，控制系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，調(diào)試很容易，plc運(yùn)行非常穩(wěn)定，幾乎不需要程序維護(hù)。比較而言：

hmi+plc的方案應(yīng)該是最好的選擇。

硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件方案如圖5所示。

控制回路

包括按鈕，指示燈等。二次回路采用dc24v，串入急停按鈕控制動(dòng)力回路接觸器，直接控制供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

供電系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電采用ac380v供電，由接觸器控制。一臺(tái)可以輸出電壓為dc24v的開(kāi)關(guān)電源。提供人機(jī)界面電源、plc的輸入信號(hào)電源。二次控制回路單獨(dú)使用另一路dc24v開(kāi)關(guān)電源。

伺服動(dòng)力電源是三相ac220v的制式，所以要提供一臺(tái)380-220干式變壓器，作為電壓的轉(zhuǎn)換。

plc電源是ac220v等級(jí)的，可以從ac380取一相使用，但考慮到電源隔離以后，電源的質(zhì)量有一定的提高，對(duì)plc有利，因此從380-220干式變壓器輸出端取兩相使用。

hmi系統(tǒng)

hmi是整個(gè)機(jī)器與操作人員進(jìn)行交流的界面（見(jiàn)圖6），在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上要考慮易于操作，外形美觀大方。這里選用omron的ns10（10寸）真彩觸摸屏，支持全中文顯示，熒屏寬大，文字清晰，顏色豐富，操作簡(jiǎn)單。數(shù)據(jù)的設(shè)定，存儲(chǔ)，記錄，機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制都很方便。

hmi與plc采用rs232串行通信（sysmac way協(xié)議）連接。

plc系統(tǒng)

圖7示出的plc是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它聯(lián)系著hmi和底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行，要求性能可靠，功能上要能夠方便的實(shí)現(xiàn)與hmi和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接。本系統(tǒng)選用omron的cj1m系列小型plc。cpu內(nèi)置2路100khz高速脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)x軸，y軸的運(yùn)動(dòng)控制，此外配置一個(gè)nc133位置控制模塊，實(shí)現(xiàn)z軸的運(yùn)動(dòng)控制。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出各選用一個(gè)16路輸入/輸出模塊。設(shè)備的整個(gè)工藝流程的控制主要采用ld（梯形圖）語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的要求，某些地方需要較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，為了實(shí)現(xiàn)這部分功能，筆者自己用st語(yǔ)言編寫(xiě)并把這部分封裝在功能塊（fb）里面，供ld調(diào)用。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)，x軸、y、z軸各一套。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用安川的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這里采用“脈沖＋方向”控制模式，接線從plc或者nc位置控制模塊的高速脈沖輸出口引出，接入伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入口，以及方向信號(hào)。

傳感器

為了保證各個(gè)軸的正常和安全的運(yùn)行，需要在每個(gè)軸的兩端分別安裝一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，作為軸的極限位置傳感器，防止運(yùn)行范圍超出，造成設(shè)備損壞。本設(shè)備所有的伺服控制系統(tǒng)均采用絕對(duì)坐標(biāo)，在每個(gè)軸上還要單獨(dú)設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)，作為坐標(biāo)軸的零點(diǎn)位置。

hmi&plc軟件系統(tǒng)

在人機(jī)界面上開(kāi)發(fā)出以下畫(huà)面：

主頁(yè)面。展示生產(chǎn)廠家及機(jī)床的信息，力求簡(jiǎn)潔明了，美觀大方；

手動(dòng)頁(yè)面。手動(dòng)模式下的數(shù)據(jù)設(shè)定，管理，控制，監(jiān)視等信息；

自動(dòng)頁(yè)面。自動(dòng)模式下的數(shù)據(jù)設(shè)定，管理，控制，監(jiān)視等信息；

確認(rèn)頁(yè)面。參數(shù)的修改或調(diào)用時(shí)需要彈出確認(rèn)提示頁(yè)面，以保證對(duì)工件參數(shù)的操作的正確性。主要用在一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入前的確認(rèn)提醒，防止操作人員對(duì)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤讀寫(xiě)。

軟件采用ld語(yǔ)言編寫(xiě)，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序維護(hù)：

信號(hào)輸入段。負(fù)責(zé)輸入信號(hào)的采集和管理，邏輯的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換；

模式轉(zhuǎn)換段。負(fù)責(zé)管理手動(dòng)/自動(dòng)模式的切換，保證系統(tǒng)在兩種模式下正常的運(yùn)行；

數(shù)據(jù)管理段。負(fù)責(zé)hmi與plc之間的數(shù)據(jù)傳輸，存儲(chǔ)和調(diào)用管理，還包括傳遞從hmi上發(fā)出的操作指令；

脈沖輸出段。負(fù)責(zé)plc對(duì)伺服系統(tǒng)發(fā)出正確的脈沖指令，確保交流伺服電機(jī)按照規(guī)定的方向和位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；

邏輯控制段。負(fù)責(zé)整個(gè)工藝流程的邏輯控制，對(duì)液壓等機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，保證動(dòng)作按程序正常執(zhí)行；

信號(hào)輸出段。負(fù)責(zé)所有需要輸出的信號(hào)進(jìn)行管理和邏輯轉(zhuǎn)換。

具體軟件系統(tǒng)流程如圖8所示。

注意事項(xiàng)

交流伺服系統(tǒng)是強(qiáng)電系統(tǒng)而且是高電磁輻射源（盡管它們有emc認(rèn)證，還是不能絕對(duì)的避免電磁輻射的產(chǎn)生），而plc，hmi以及它們之間的通信連接是典型的弱電系統(tǒng)，很容易受到強(qiáng)電磁輻射的干擾，因此在硬件布置上要盡量增加強(qiáng)電系統(tǒng)與弱電系統(tǒng)之間的安裝距離，減少電磁干擾帶來(lái)的不利影響。同時(shí)考慮通信電纜與動(dòng)力電纜之間的安裝方式，一般遵循這樣的原則：通信電纜采用屏蔽電纜，并且要單點(diǎn)（在信號(hào)的接收處）屏蔽層接地；交流伺服的動(dòng)力電纜最好也要屏蔽，并且在伺服驅(qū)動(dòng)器的這一端進(jìn)行屏蔽層接地，電纜長(zhǎng)度盡量的短；通信電纜與動(dòng)力電纜盡量避免近距離平行布線，如果無(wú)法避免平行布線，二者距離要求≥20cm。

結(jié)語(yǔ)

hmi+plc+伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的小型的數(shù)控系統(tǒng)。它價(jià)格比常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)相比較，價(jià)格低廉，界面友好，功能強(qiáng)大，精度高，特別適合于小型機(jī)床上使用。經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證表明：這種系統(tǒng)性能非常穩(wěn)定可靠，工況良好，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量合格穩(wěn)定。